[发明专利]轻质柔性石墨导热索的钎焊结构及钎焊方法

说明书

本发明公开了一种轻质柔性石墨导热索的钎焊结构及钎焊方法。该钎焊结构包括由多层石墨膜构成的石墨膜层叠体、以及位于石墨膜层叠体两侧的导热金属连接端；所述石墨膜层叠体具有中间柔性段、石墨膜两侧端部连接段，在石墨膜两侧端部连接段的相邻两层石墨膜之间设有金基软钎料层；石墨膜两侧端部连接段与导热金属连接端之间分别设有三明治结构复合钎料层，该三明治结构复合钎料层由依次设置的金基软钎料箔片、铅基软钎料焊片、金基软钎料箔片组成。本发明的石墨导热索的钎焊方法采用该钎焊结构，所制备的石墨导热索连接界面热阻小，热流通量大，柔性石墨段与端部金属结合强度高，耐机械振动和温度交变冲击，服役安全可靠性高。

技术领域

本发明涉及一种轻质柔性石墨导热索的钎焊结构及钎焊方法，属于异质材料连接技术领域。

背景技术

导热索又称导热软连接，是发热器件与热沉之间的热量传输通道。通过柔性导热段将发热器件的热量快速传导至热沉散热端，金属导热索的柔性导热段一般采用热导率较高的无氧铜或铝合金细丝编织带或箔带层叠体，与发热器件连接端和热沉连接端固结成一体，从而实现柔性传热和安装灵活功能。由于金属导热索各部分均为金属，其固结工艺相对简单，采用常规的压焊或熔焊就可以实现良好连接和100％界面冶金结合。

随着电子技术和航天技术的进步，航天器单机载荷上集成的电子学器件越来越密集，单机功耗越来越高，工作发热使其结构件与电子器件的温度难以维持恒定，急需寻求具有更高热导率的高导热材料来实现高效传热，尤其是对于卫星及各类航天器使用的导热索，除了高热传导率之外、还希望轻质和柔韧度优良。基于上述应用牵引和高导热材料的层出不穷，低密度、高导热炭材料“柔性石墨膜”引起热管理领域设计人员的关注。目前厚度小于30μm轻质柔性聚酰亚胺柔性石墨膜平面方向的导热系数已经超过1000W/(m·K)且柔韧度良好，已经成为金属导热索柔性导热段的理想替代材料。石墨膜材料密度1.8g/cm³，与金属相比在减重方面潜力巨大。

选择厚度30μm以下的高导热石墨膜制备石墨膜导热索，由于单层厚度较薄，为实现足够的热流通量，需要采取多层叠加的方式形成石墨膜层叠体。如图1、2所示，即多层石墨膜层间两端需要复合固结，形成石墨膜层叠体3，石墨膜层叠体3与两端的发热器件连接端1及热沉连接端2进行固结连接。欧洲和美国多家导热索专业制作公司公开的资料表明石墨膜导热索装配固结是采用压接工艺，即在石墨膜叠层体两端层间用有机胶黏合剂粘结，固化后插入铜或铝套管内压接成型。国内上海卫星装备研究所张学迅等人在柔性石墨膜与热沉金属的装配连接设计上也是采用涂导热脂后螺栓紧固。胶粘和机械压接虽然工艺简单易实施，但由于有机黏合剂导热率低与压接界面热阻高，很大程度上削弱了石墨膜平面方向高效传热的作用效果。同时，该连接方式也在一定程度上降低了石墨膜导热索的结构强度与耐热疲劳寿命。

采用钎焊工艺制备石墨膜导热索可以在一定程度上避免导电胶和机械压接热阻大和耐热疲劳寿命低的问题，采用金属钎料(也称填充金属)可以实现界面冶金结合。受限于石墨膜氧化起始温度较低(400℃)的限制，活性钎料直接钎焊无法实施，只能采取石墨膜表面金属化的间接钎焊工艺方案。公开文献及专利几乎都是采用锡基焊料，即共晶锡铅合金焊料，采用锡铅焊料需要助焊剂配合，所以在石墨膜导热索制备上，一般都是采用锡基钎料焊膏在焊接界面区域表面涂布。采用锡基钎料组焊石墨膜导热索存在的主要问题是：石墨膜层间及石墨膜叠层体与金属端部两类焊接界面为相对封闭区域，助焊剂及其产生的气体很难彻底排出，在焊接界面处生成气孔、助焊剂残留等缺陷，导致界面结合强度和导热率降低。钎焊助焊剂残留在热真空环境下会分解、挥发，导致石墨膜导热索临近精密光电器件被污染的风险大幅增加。此外柔性石墨膜材料的热膨胀系数约为1×10^-6/k，铜和铝合金的热膨胀系数均大于19×10-6/k。石墨膜与端部金属的热膨胀系数差异悬殊，低强度的锡基钎料焊缝能否承受焊缝区域在服役过程中的温度交变热应力作用，也是一个潜在的界面失效因素。

为进一步提高石墨膜导热索整体传热效率和钎焊连接强度，需要在钎料体系选择、钎料层厚度、布料方式、石墨膜与金属之间热膨胀失配热应力缓解方面进行设计，以满足卫星及航天器热控系统对于高热流通量和长寿命石墨膜导热索的迫切需求。